книги из ГПНТБ / Шляпоберский В.И. Основы техники передачи дискретных сообщений
.pdfження будет на выходе только тогда, когда на все входы схемы ИЛИ подается сигнал низкого уровня Е2 (в схеме ИЛИ £JJ < £ 2 < £ i ; при Е2 = 0 Е'^ отрицательно). В рас сматриваемом случае схема ИЛИ управляется выходны
ми |
сигналами |
схем |
И, которые образуются |
на выходах |
|
А\; |
А2; А3 в зависимости от состояния входов V, |
1", 2', 2", |
|||
3', |
3". |
|
|
|
|
|
Преимуществом |
диодных ключей является |
простота |
||
их |
реализации, |
что |
в наибольшей степени |
проявляется |
|
при построении многовходовых схем. Однако построение переключательных цепей с использованием только диод ных ключей возможно в сравнительно редких случаях. Это обусловлено, во-первых, тем, что посредством диод ных ключей практически невозможно реализовать опера цию инверсии (логического отрицания) сигналов, без ко торой нельзя построить большинство переключательных цепей, и, во-вторых, диодный ключ вызывает определен ное ослабление сигнала, что весьма ограничивает допу стимое число последовательно включаемых схем. Указан ные недостатки диодных ключей легко преодолеваются, если при построении переключательных цепей использо
вать также и транзисторные |
ключи. |
|
Т р а н з и с т о р н ы и н а с ы щ е и н ы й к л ю ч с о б- |
||
щ и м э м и т т е р о м 1 ) . Для |
построения |
ключевых схем |
применяются плоскостные |
транзисторы |
типов р-п-р и |
_ L |
1 |
Рис. 2.9. Схемы транзисторных ключей с общим эмит тером
п-р-п. На рис. 2.9а и б приведены схемы ключей с тран зисторами обоих типов, включенными с общим эмитте-
') Из всех возможных схем включения транзистора (с общим эмиттером, с общей базой, с общим коллектором и др.) наибольшее распространение получил транзисторный ключ с общим эмиттером.
50
ром (ОЭ) . Особенности работы транзисторного ключа рассмотрим на примере схемы, построенной на транзи сторе типа р-п-р (рис. 2.9а). Для перехода к схемам на транзисторах типа п-р-п меняются на обратные полярно сти включения источников питания и направления токов.
Транзисторный насыщенный ключ обычно использует ся в двух стационарных режимах: отсечки, когда транзи стор заперт (выключен) и включения (режим открытого насыщенного транзистора).
Рассмотрим свойства и параметры ключа на транзи сторе с ОЭ, работающего в стационарных режимах. В ре жиме отсечки оба р-л-перехода транзистора — коллектор
ный и эмиттерный — смещены |
в обратном |
направлении. |
|||
Транзистор типа р-п-р |
будет в режиме отсечки, если |
|
|||
U63 |
> 0 |
и |
£ / б к > 0 , |
(2.34) |
|
где U03 — напряжение |
между |
базой и эмиттером, |
— |
||
напряжение между базой и коллектором. |
|
|
|||
Транзистор типа п-р-п |
будет в режиме |
отсечки |
при |
||
^бэ=^0; Убк^О. Обычно в ключевых схемах применяется режим глубокой отсечки. Для транзисторов типа р-п-р режим глубокой отсечки обеспечивается при £/бо^0,1 В
иС/бк>0,1 В.
Взапертом состоянии в цепях базы и эмиттера тран
зистора протекают токи /б3 и /э з , направления которых обратиы выбранным на рис. 2.9. При этом ток базы ра вен по абсолютной величине сумме токов эмиттера и кол лектора: |/бз| = + |/эз|- В симметричном транзисторе
|/кз| ~ |/эз| |
«Л«о/2; |/бз| «/коТепловой ток / к о |
с ростом |
температуры |
возрастает по экспоненциальному |
закону. |
Приближенно можно считать, что тепловой ток транзи сторов / к 0 так же, как и диодов, удваивается при каждом
повышении |
температуры |
на 10°С, |
т . е . |
/ K 0 ( f C ) |
= |
= /ко0рС)2 |
1 0 ° . Так как |
тепловой |
ток |
кремниевых |
|
транзисторов три нормальной температуре (^0 |
= 20°С) |
со |
|||
ставляет единицы микроампер, то при рассмотрении ра боты ключевых схем его можно не учитывать.
В схеме ключа напряжение на базе запертого транзи стора (рис. 2.9) при наличии теплового тока будет Us3 — = Е2—IKORS, где Е2 — уровень входного запирающего на пряжения.
51
Для удовлетворения условия запирания (2.34) необ
ходимо, чтобы Л; 0 м а к с'Rs^Ev, |
где |
Л,-о м а и с — э н а ч е н и е об |
||||||||
ратного тока при наивысшей рабочей температуре. |
|
|||||||||
Напряжение |
на коллекторе |
закрытого |
транзистора |
|||||||
(рис. |
2.9а) |
£/„э = —£ц + / к Л . |
Для стабилизации |
выход |
||||||
ного |
напряжения |
необходимо |
обеспечить |
/цо макс^к^^к. |
||||||
тогда Uia-za—Ец. |
В режиме |
насыщения |
оба |
перехода |
||||||
транзистора |
смещены в |
прямое |
направлении, |
т. е. для |
||||||
транзисторов типа р-п-р |
Uea<C0; |
UeK<cO |
и для |
транзис |
||||||
торов типа п-р-п |
с/бЭ >0; £/ск>0. |
|
|
|
|
|
||||
Переход транзистора |
в режим |
насыщения |
легко |
пояс |
||||||
нить с помощью семейства типичных выходных статиче
ских характеристик транзистора iu=<f(U1(; |
15) |
(рис. |
2.10); |
|||
па том же рисунке нанесена нагрузочная линия А Б, |
соот |
|||||
ветствующая уравнению |
Кирхгофа |
для |
схемы ОЭ |
(рис. |
||
2.9) iK= {Ек— |
| UK\ )/RK. |
Координаты |
(/ю |
UK) |
точек |
пере |
сечения линии АБ с характеристиками транзистора |
опре |
|||||
деляют режим работы схемы. |
|
|
|
|
||
Насыщение транзистора в схеме ключа |
достигается |
|||||
увеличением тока базы. При некотором |
значении /д = /он |
|||||
рабочая точка |
(рис. 2.10) |
достигает |
положения точки А, |
|||
Рис. 2.10. Семейство выходных статических характеристик транзистора
которая соответствует границе насыщения (£/бЭ <;0; с/бк«0), т. е. /Ш1=р/бпДальнейший рост тока базы практически уже не приводит к росту коллекторного то ка, т. е. / к н = (Ек— | с7, г а | )/<RK, и, следовательно, /бН = = /„„/р = (£к —|£/кн|)/рЯ„.
52
Для |
практических расчетов |
можно |
принять |
6/1 Ш |^100 мВ . Если | Е к | > | Um|, |
что справедливо при |
||
Ек \ > 2 |
В, то можно приближенно |
считать |
|
L
Як |
(2.35) |
|
|
I,бн |
|
Степень насыщения ключевых схем принято характе ризовать коэффициентом насыщения S = k/I6H= р^/Лш-
Коэффициент передачи тока базы (3 зависит от вели чины тока ;'ц и от температуры f C 1 ) . Примерные зависи мости р(iK_) и p ( f ) показаны на рис. 2.11а и б. При опре-
|
|
4» |
|
|
|
|
P(t°C) |
|
|
|
|
-2,0 |
|
|
|
|
1,0 |
|
|
|
|
j |
|
|
|
|
-0,5 |
ii |
|
|
7#мЛ -60 -iO -20 0 |
|
||
О 10 |
20 |
40 60 SO t С |
||
Рис. 2.11. Примерные зависимости изменения |
р от |
тока кол |
||
лектора |
и температуры |
|
|
|
делении |
условий насыщения |
транзистора |
необходимо |
|
учитывать как значительный |
разброс параметра р у раз |
|||
личных транзисторов, так и зависимость |
р от температу |
|||
ры, т. е. исходить из минимального значения |
р. Поэтому |
|||
в выражениях (2.35) под р понимается то значение, кото
рое соответствует току / к н при наименьшей |
рабочей |
тем |
||||||
пературе |
ключа. В режиме |
насыщения разность потен |
||||||
циалов между любой парой электродов |
транзистора |
|||||||
значительно |
меньше величины |
питающего |
напряжения |
|||||
Е1Ь поэтому |
насыщенный транзистор |
можно рассматри- |
||||||
') В |
паспортах на транзисторы |
приводится |
значение |
р.у = |
||||
= ал-/1—а,у, |
соответствующее коэффициенту |
передачи |
тока |
базы |
||||
при / = 20°С и среднем для данного |
транзистора значений |
тока. |
||||||
53
вать «стянутым» в эквипотенциальную |
точку, |
т. е. точку |
с единым потенциалом всех электродов |
(рис. |
2.12). |
Перепад коллекторного напряжения, образуемый при переключении транзистора из режима отсечки в режим
насыщения, |
равен: |
UKM= |
\ UIA\ — | UKU\ |
= £ — I 1 < 0 R K — |
||||||||||||
— | Utm\. |
Так как IKoRK |
и \UUn\ обычно малы, |
UKm |
дости |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
гает |
(0,90-^0,99) ЕК, |
|
т. |
е. |
||||||
|
|
|
~ ~ г |
|
коммутируется |
почти |
все на |
|||||||||
|
|
I |
|
|
|
пряжение ЕК. Перепад тока |
||||||||||
|
|
|jj^> |
|
|
при |
переключении |
|
равен: |
||||||||
|
|
|
|
|
|
' к ш — ' НИ ' КО ~ 1 |
к н - |
|
|
|
на- |
|||||
|
|
|
\т |
-о |
|
Помимо |
выходного |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
транзисторный |
||||||||
|
|
|
Укн^О пряжения, |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
ключ |
характеризуется |
'и вы |
||||||||
|
|
|
|
|
|
ходным сопротивлением RR, |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
которое |
во |
включенном |
со- |
|||||||
Рис. 2.12. |
Токи и потенциалы |
в стоянии ключа мало, в вык- |
||||||||||||||
ключе |
с |
насыщенным |
транзи- люченном |
— |
велико, |
|
|
|||||||||
стором |
|
|
|
|
|
Рассмотрим |
переходные |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
процессы, |
происходящие |
в |
||||||||
транзисторном |
ключе |
при |
его |
переключениях. |
|
Пусть |
в |
|||||||||
исходном состоянии |
ключ |
(рис. 2.9) |
выключен ( |
транзис |
||||||||||||
тор заперт напряжением Ue3). |
При подаче на вход клю |
|||||||||||||||
ча отпирающего перепада |
напряжения £ 4 |
эмиттерный пе |
||||||||||||||
реход смещается в прямом направлении и через базу бу |
||||||||||||||||
дет протекать |
постоянный |
ток |
h, |
величина |
которого оп |
|||||||||||
ределяется величинами напряжения |
EL и сопротивления |
|||||||||||||||
/?б в цепи базы |
(рис. 2.13). Однако ток |
базы |
/oi появится |
|||||||||||||
не сразу, а спустя определенное |
время |
задержки |
(под |
|||||||||||||
готовки) ta, в течение |
которого |
барьерная |
емкость |
Сп , |
||||||||||||
заряженная до напряжения UB3, перезарядится до напря |
||||||||||||||||
жения f/боткСчитая, что Сэ перезаряжается |
током /Зар = |
|||||||||||||||
= EU'RQ |
по закону, |
близкому |
к линейному, |
можно при |
||||||||||||
нять |
tn~C3U6alhap. |
Полагая |
С э = 5 0 |
пФ, |
/ з а р = 1 |
мА и |
||||||||||
С/бз=2 |
В, получим /п = 0,1 |
мкс. Такое значение tn |
получе |
|||||||||||||
но без |
|
учета |
емкости |
С ю |
шунтирующей |
коллекторный |
||||||||||
переход. С учетом |
этого |
влияния длительность |
tn |
будет |
||||||||||||
еще больше. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Если величина тока базы превышает /б1>/бю то че рез некоторое время после момента открытия транзисто ра ток коллектора достигает значения / к н и транзистор перейдет в режим насыщения.
Рассматривая транзистор как элемент, управляемый зарядом Q, можно считать, что при скачкообразном из-
5 4
менении тока |
|
базы |
ток |
|
||
коллектора |
возрастает |
|
||||
по |
экспоненциальному |
|
||||
закону [22] |
|
|
|
|
||
Мк= |
РА/Д1 - |
е |
|
|
||
|
|
|
|
(2.36) |
|
|
где |
т р = (р + |
1 ) т а « |
рта , |
|
||
та =1/'2л/а — постоян |
|
|||||
ная |
времени, |
|
характе |
|
||
ризующая |
скорость |
на |
|
|||
растания |
коллекторно |
|
||||
го тока; /а — верхняя |
|
|||||
граничная |
|
|
частота |
|
||
транзистора. |
|
|
|
|
||
|
Время, |
в |
течение |
|
||
которого |
коллекторный |
|
||||
ток |
достигнет |
величи |
|
|||
ны |
характеризует |
l*H~-Ph |
||||
длительность |
|
положи |
||||
|
|
|||||
тельного |
фронта |
на |
|
|||
пряжения t£ , форми |
|
|||||
руемого |
па |
|
коллекто |
|
||
р е 1 |
) . Для |
определения |
|
|||
t+ |
воспользуемся |
вы |
|
|||
ражением |
(2.36) |
|
|
|||
ip tip
Рис. 2.13. Изменение токов и напря жений транзисторного ключа при (2.37) прямоугольном управляющем сигнале
Решая |
уравнение (2.37) |
относительно t+, |
получим |
|||||
|
|
|
/+ = |
т in |
Р / б 1 - / к |
|
(2.38) |
|
|
|
|
ф |
р |
|
|
||
Примем |
/б1=5/бп, |
где S |
— коэффициент, |
характери- |
||||
') |
Под |
положительные |
фронтом |
понимается |
изменение выход |
|||
ного |
сигнала |
от меньших |
значений |
напряжения |
к большим. |
|||
5 5
зующий глубину |
насыщения |
транзистора |
Тогда, |
заменяя в выражении (2.38) /бь получим |
|
||
|
' ф = т е 1 п И л - - |
( 2 - 3 9 ) |
|
За время t£ |
напряжение |
UK достигает |
уровня £/„„, |
близкого к нулю |
(рис. 2.13). |
Как видно из |
выражения |
(2.39), уменьшение длительности включения может быть достигнуто увеличением отпирающего тока и применени ем более высокочастотных транзисторов.
Начиная с момента /;, транзистор находится в режи ме насыщения, токи транзистора практически не меняют
ся, а заряд |
в базе продолжает |
нарастать, достигая ста |
ционарного |
режима за время |
' / „ « З т р . Таким образом, |
стационарный режим насыщенного транзистора характе ризуется избыточной концентрацией неосновных носите лей в б а з е J ) .
Пусть в момент f3 на вход транзистора подается за пирающий перепад тока /52. обусловленный подачей по
ложительного |
входного напряжения Е\. Ток /бг приводит |
к уменьшению |
(рассасыванию) заряда, накопленного в |
базе. Продолжительность рассасывания /р определяется временем, в течение которого заряд Q уменьшается от стационарного уровня Q{0) ~%pl<5\ ДО граничного Q r p ~ ~тр /бн, определяющего границу насыщения ( 5 = 1 ) . Ис ходя из экспоненциальной зависимости изменения заря да [22], можно получить следующее выражение для опре деления /р:
L |
« т я In / б 1 ~ 7 6 2 |
- |
r R In |
. |
(2.40) |
|
Очевидно, |
чем меньше |
степень |
насыщения |
и |
чем |
|
больше величина запирающего тока |
тем меньше дли |
|||||
тельность рассасывания. С момента |
завершения |
расса |
||||
сывания (рис. 2.13) начинается |
спад |
коллекторного |
тока |
|||
по экспоненциальному закону с постоянной времени тг^ от /к п до нуля.
') В р-области основными |
носителями |
заряда являются дырки, |
а неосновными — электроны; в |
га-области — |
наоборот. |
5<?
Аналогично предыдущему длительность спада коллек торного тока
' + = Тр1п |
Г ^ |
г " |
) |
• |
(2-41) |
Одновременно со спадом коллекторного тока изменя |
|||||
ется коллекторное напряжение: UK |
|
=—ЕК+1^КК. |
|||
Задержка выходного импульса |
при |
запирании насы |
|||
щенного транзистора приводит к |
уменьшению быстро |
||||
действия транзисторных ключей с ОЭ. |
Этот |
недостаток |
|||
можно устранить, если обеспечить работу |
транзистора в |
||||
режиме слабого насыщения |
( 5 = 1). Однако |
вследствие |
|||
значительного разброса коэффициента усиления р и его температурной зависимости использовать этот режим ра боты без дополнительных цепей связи практически не возможно.
Одним из способов борьбы с насыщением является фиксация потенциала коллектора снизу при помощи дио да при одновременном ограничении коллекторного тока величиной I K U = EK/<RK. Это достигается в ненасыщенном ключе с нелинейной отрицательной обратной связью.
На рис. 2.14 представлена схема ненасыщенного клю ча с ОЭ, в котором нелинейная отрицательная обратная связь достигается включением диода параллельно пере ходу коллектор—база. Пока напряжение база —коллек
тор U^K больше падения на пряжения iQR0, диод Д за перт, отрицательная обрат ная связь не действует и с ростом входного тока растут
ток |
базы |
1б и ток |
коллек |
|
|
|
|
|
|
тора |
t K = р/а- Как |
только ток |
|
|
|
|
|||
базы |
t-6 |
достигнет |
такого |
|
|
|
|
||
значения, |
при котором нап- |
D „ |
„ |
„ |
' |
~° . |
|||
|
|
г, 1 |
г |
|
Рис. |
2.14. Ненасыщенный ключ |
|||
ряжение |
Уб 1 < станет |
равным |
с |
отрицательной |
обратной |
||||
падению напряжения i0Ro, |
связью |
|
|
|
|||||
диод Д отпирается и даль |
|
|
|
|
|||||
нейший рост тока |
i B X мало |
влияет |
на |
режим |
транзисто |
||||
ра, так как значительная часть входного тока идет те перь непосредственно через диод, а ток базы /о практи
чески не |
изменяется. Если параметры схемы |
(рис. |
2.14) |
|||||
выбраны |
так, чтобы диод отпирался |
при токе |
базы |
£б = |
||||
— 1ои, транзистор |
будет |
находиться |
в |
режиме |
слабого |
|||
насыщения ( S = ' l ) |
при |
любых больших |
входных |
токах. |
||||
57
Исследования .ненасыщенных .ключей [44J показал)!, что они практически устраняют задержку выходного сигнала относительно запирающего импульса, не умень
шая значительно |
эффективность |
использования |
|
напря |
|||
жения питания. |
|
|
|
|
|
|
|
Транзисторный |
ключ управляется |
обычно выходным |
|||||
сигналом другого ключа. Связь |
между |
|
ключами |
|
может |
||
|
|
осуществляться |
|
или не |
|||
|
|
посредственно, |
или че^ |
||||
|
|
рез различные |
элемен |
||||
|
|
ты связи — резистив- |
|||||
|
|
ные |
делители, |
|
диоды, |
||
|
|
тр ai 13 исто р н ы е |
|
ус ил и - |
|||
|
|
тели и т. д. В |
|
зависи |
|||
|
|
мости |
от |
этого |
|
разли- |
|
|
"Ф^чают |
|
транзисторные |
||||
|
|
ллючи с непосредствен- |
|||||
|
|
н ы ми, |
рез исти в н ы ми. |
||||
|
|
диодными, |
транзистор |
||||
|
|
нымп |
|
и другими |
связя |
||
|
|
ми. |
Определим |
усло |
|||
|
|
вия |
управления |
тран |
|||
|
|
зисторным |
ключом при |
||||
|
|
различных |
видах свя |
||||
|
|
зи. Для надежного за |
|||||
|
|
пирания |
транзистора |
||||
|
|
необходимо, |
|
чтобы |
|||
Рис. 2.15. Ключи с резистивными не посредствен ными евязя-.М'Н
UG^U()D3, где £/ооз —
пороговый уровень глу бокой отсечки управ ляемого транзистора, а
для его насыщения нужно, чтобы / б 1 ^ / б 1 < — Л ш / Р ^ - Е к / Р ^ к -
При резистивных связях |
'(рис. 2.15а) условие запирания |
||||
транзистора Т обеспечивается |
при |
|
|||
|
и,б з ' |
|
|
|
(2.42) |
Выражение (2.42) |
справедливо, если |
UBX=UKH=0; |
|||
С/бП =0, |
{7бэз = 0, а запираемый транзистор |
рассматрива |
|||
ется как теиерато.р тока |
/ко нр-н условии IKORH"СЕК. На |
||||
сыщение |
транзистора |
Т |
при |
запертом |
управляющем |
транзисторе (UBYI^EK) |
обеспечивается при условии |
||||
Из (2.42) |
следует |
|
|
|
|
|
(2.44) |
а из (2.43) |
|
ко |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.45) |
Условия |
(2.42) —(2.45) |
должн |
выполняться при |
Л<0 м а к с И pMiмпп- |
|
|
|
При непосредственной связи транзисторных ключей с |
|||
ОЭ (рис. 2.156), т. е. когда |
коллектор предыдущего |
||
транзистора соединяется непосредственно с базой после |
||||||
дующего, |
справедливо |
соотношение |
и^п = иК(П-\у Пусть |
|||
транзистор |
Ti насыщен, т. е. / б 1 > / б г ь |
тогда на -базу тран |
||||
зистора |
То будет подаваться |
весьма |
малое |
напряжение |
||
UKi=UKH. |
Если напряжение |
Uui=Uvn |
будет |
меньше того |
||
наибольшего значения |
напряжения U^, при котором по |
|||||
следующий транзистор |
остается закрытым |
— £/б3 (рис. |
||||
2.15в), транзистор Т2 будет практически заперт. |
||||||
Обычно |
с / 1 т ~ 0 , 1 В, a Ue3 |
германиевых |
транзисторов |
|||
составляет около 0,2 В; кремниевых — около 0,7-=-0,8 В.
Разность |
f t / б з — U m i ) |
определяет величину помехозащи |
|
щенности |
элемента. |
(Строго говоря, при U^2=UKi |
через |
коллектор транзистора Т2 будет протекать небольшой ток
l'K>h<o, так как напряжение £ / G 2 = £ / „ I < 0 создает |
не |
большое прямое смещение эмиттерного перехода Т2.) |
|
Режим насыщения последующего транзистора |
(на |
пример, 7"3) при запертом предыдущем транзисторе (на
пример, Т2) |
в схемах с непосредственными |
связями обес |
||||||
печивается |
практически всегда, так как ток базы откры |
|||||||
того транзистора (Т3) |
примерно (без учета I'J) |
равен то |
||||||
ку, |
протекающему через |
коллекторное |
сопротивление |
|||||
RK |
предыдущего запертого транзистора |
(Т2), т. е. |
||||||
где |
UK3 |
— напряжение |
на коллекторе |
запертого транзи |
||||
стора Тъ |
так как |£/кз| жЕк, |
1 б » £ к / Я = /кн. |
|
|||||
|
При таком значении тока базы открытый |
транзистор |
||||||
даже при малых значениях р всегда будет находиться в режиме глубокого насыщения.
Обычно в цепь базы транзистора включается резис тор R. Это приводит к выравниванию входных сопротив лений транзисторов, уменьшению глубины их насыщения, а также к увеличению быстродействия ключевой схемы.
59